DE102020124413A1

DE102020124413A1 - combustion chamber arrangement

Info

Publication number: DE102020124413A1
Application number: DE102020124413.4A
Authority: DE
Inventors: Lukas Werling; Konstantin Manassis
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2022-03-24
Also published as: WO2022058369A1; EP4214409A1; EP4214409B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung (10) mit einem entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennraum (20) und mit einer stirnseitig des Brennraums (20) angeordneten Injektoranordnung (18) zum Einbringen reaktiver Fluide (62, 64) in den Brennraum (20), umfassend eine erste Injektoreinrichtung (24) mit einer ersten Auslassanordnung (34) mit zumindest einer ersten Auslassfläche (44) zum Einbringen des ersten Fluids (62) und eine zweite Injektoreinrichtung (26) mit einer zweiten Auslassanordnung (36) mit zumindest einer zweiten Auslassfläche (46) zum Einbringen des zweiten Fluids (64). Eine verbesserte Durchmischung wird dadurch erreicht, dass die zumindest eine, insbesondere ringförmige, zweite Auslassfläche (46) die zumindest eine erste Auslassfläche (44) unter Zwischenordnung einer fluid-undurchlässigen Trennung radial umlaufend umgebend angeordnet ist und ein stirnseitig an den Brennraum (20) angrenzendes zweites poröses Element (42) zur Bildung der zweiten Auslassfläche (46) zu dem Brennraum (20) aufweist

The invention relates to a combustion chamber arrangement (10) with a combustion chamber (20) aligned along a longitudinal axis (L) and with an injector arrangement (18) arranged on the front side of the combustion chamber (20) for introducing reactive fluids (62, 64) into the combustion chamber (20). , comprising a first injector device (24) with a first outlet arrangement (34) with at least one first outlet surface (44) for introducing the first fluid (62) and a second injector device (26) with a second outlet arrangement (36) with at least one second outlet surface (46) for introducing the second fluid (64). Improved mixing is achieved in that the at least one, in particular ring-shaped, second outlet surface (46) is arranged so as to radially surround the at least one first outlet surface (44) with the interposition of a fluid-tight separation and an outlet surface adjoining the combustion chamber (20) on the front side second porous element (42) for forming the second outlet surface (46) to the combustion chamber (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung mit einem entlang einer Längsachse ausgerichteten Brennraum und mit einer stirnseitig des Brennraums angeordneten Injektoranordnung zum Einbringen reaktiver Fluide in den Brennraum, umfassend eine erste Injektoreinrichtung mit einer ersten Auslassanordnung mit zumindest einer ersten Auslassfläche zum Einbringen des ersten Fluids und eine zweite Injektoreinrichtung mit einer zweiten Auslassanordnung mit zumindest einer zweiten Auslassfläche zum Einbringen des zweiten Fluids.The invention relates to a combustion chamber arrangement with a combustion chamber aligned along a longitudinal axis and with an injector arrangement arranged on the front side of the combustion chamber for introducing reactive fluids into the combustion chamber, comprising a first injector device with a first outlet arrangement with at least one first outlet surface for introducing the first fluid and a second injector device with a second outlet arrangement with at least one second outlet surface for introducing the second fluid.

Derartige Brennkammeranordnungen, wie sie insbesondere bei Raketentriebwerken mit chemischem Antrieb zum Einsatz kommen, nutzen ein Zweikomponenten- bzw. Bipropellantsystem, wobei zwei Fluide, insbesondere Brennstoff und Oxidator, in den Brennraum eingebracht werden und miteinander unter Wärmefreisetzung reagieren. Als Oxidator finden beispielsweise flüssiger Sauerstoff, Wasserstoffperoxid (H₂O₂) oder Lachgas (N₂O) und als Brennstoff z. B. Wasserstoff, Methan oder Kerosin Verwendung. Weiterhin können z. B. hypergole (sich bei Kontakt spontan entzündende) Treibstoffe wie Monomethylhydrazin (MMH, Summenformel CH₆N₂) als Brennstoff und Distickstofftetroxid (N₂O₄) als Oxidator in Zweikomponentensystemen eingesetzt werden.Combustion chamber arrangements of this type, as are used in particular in rocket engines with chemical propulsion, use a two-component or bipropellant system, with two fluids, in particular fuel and oxidizer, being introduced into the combustion chamber and reacting with one another, releasing heat. As an oxidizer, for example, liquid oxygen, hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ) or nitrous oxide (N ₂ O) and as a fuel z. As hydrogen, methane or kerosene use. Furthermore z. B. hypergolic (spontaneously igniting upon contact) fuels such as monomethylhydrazine (MMH, chemical formula CH ₆ N ₂ ) can be used as a fuel and dinitrogen tetroxide (N ₂ O ₄ ) as an oxidizer in two-component systems.

Eine wichtige Aufgabe bei Bipropellantsystemen kommt der Injektoranordnung als Einspritzelement der Fluide in dem Brennraum zu. Die Injektoranordnung verbindet die Zuleitung von Oxidator und Brennstoff mit den Brennraum. Dabei soll die Injektoranordnung insbesondere eine feine Zerstäubung des Oxidators und des Brennstoffes ermöglichen, wobei feine, schnell verdampfende Tröpfchen entstehen. Ferner ist eine gute Durchmischung von Oxidator und Brennstoff zu gewährleisten und der Brennraum von der Treibstoffzuleitung zu entkoppeln, so dass Brennkammerschwingungen gedämpft werden und sich nicht in Form von Druckschwankungen in dieselbe fortpflanzen können. Dies wird gewöhnlich über einen gewissen Druckverlust über die Injektoranordnung erreicht.An important task in bipropellant systems is the injector arrangement as an injection element for the fluids in the combustion chamber. The injector arrangement connects the oxidizer and fuel supply line to the combustion chamber. The injector arrangement should, in particular, enable fine atomization of the oxidizer and the fuel, with the formation of fine, rapidly evaporating droplets. Furthermore, good mixing of oxidizer and fuel must be ensured and the combustion chamber decoupled from the fuel supply line, so that combustion chamber oscillations are damped and cannot propagate into the same in the form of pressure fluctuations. This is usually achieved via some pressure drop across the injector assembly.

Eine Injektoranordnung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der WO 2009/080595 A2 angegeben. Dabei wird ein erstes Fluid durch ein erstes poröses Element dem Brennraum zugegeben und ein zweites Fluid durch Fluidleitungen, die das erste poröse Element durchsetzen. Stromauf der Fluidleitungen strömt das zweite Fluid durch ein zweites poröses Element. Mithilfe der porösen Elemente können die Fluide in fein verteilter Form in die Brennkammer eingebracht werden.An injector assembly of the type mentioned is for example in WO 2009/080595 A2 specified. In this case, a first fluid is added to the combustion chamber through a first porous element and a second fluid is added through fluid lines which pass through the first porous element. The second fluid flows through a second porous element upstream of the fluid lines. With the help of the porous elements, the fluids can be introduced into the combustion chamber in a finely divided form.

In der DE 10 2010 043 337 A1 ist eine Fluidzuführungsvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten porösen Element angegeben, wobei das erste poröse Element mittels der zweiten Fluidzuführung stabilisiert ist.In the DE 10 2010 043 337 A1 discloses a fluid supply device having a first and a second porous element, the first porous element being stabilized by means of the second fluid supply.

Die WO 97/08442 A1 zeigt einen Brenner für ein Raketentriebwerk mit einem porösen Element. Das poröse Element umfasst eine oder mehrere Öffnungen, durch welche hohle Einspritzelemente geführt sind.the WO 97/08442 A1 shows a burner for a rocket engine with a porous element. The porous element comprises one or more openings through which hollow injection elements are passed.

In der EP 3 246 557 A1 ist ein Raketenantriebssystem mit einer Brennkammer angegeben. Dabei wird ein Teil des Sauerstoffs als Fluid über einen Drallerzeuger entlang der Brennkammerwandung eingebracht.In the EP 3 246 557 A1 discloses a single combustion chamber rocket propulsion system. Part of the oxygen is introduced as a fluid via a swirl generator along the combustion chamber wall.

Weitere Brennkammeranordnungen mit Einspritzelementen sind in der WO 2005/049998 A1 und der GB 1 289 934 A genannt.More combustion chamber assemblies with injectors are in the WO 2005/049998 A1 and the GB 1 289 934 A called.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammeranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, wobei die Durchmischung der Fluide und damit verbunden die Verbrennungseffizienz weiter verbessert ist.The invention is based on the object of providing a combustion chamber arrangement of the type mentioned at the outset, the mixing of the fluids and the associated combustion efficiency being further improved.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die zumindest eine, insbesondere ringförmige, zweite Auslassfläche die (gesamte) zumindest eine erste Auslassfläche unter Zwischenordnung einer fluidundurchlässigen Trennung (z. B. einer Wandung) radial (in Umlaufrichtung) umlaufend umgebend angeordnet ist und ein stirnseitig an den Brennraum angrenzendes zweites poröses Element zur Bildung der zweiten Auslassfläche zu dem Brennraum aufweist.The object is solved with the features of claim 1. It is provided that the at least one, in particular ring-shaped, second outlet surface is arranged to surround the (entire) at least one first outlet surface radially (in the direction of rotation) with the interposition of a fluid-impermeable separation (e.g. a wall) and an end face on the combustion chamber adjacent second porous member to form the second outlet surface to the combustion chamber.

Insbesondere ist die (gesamte) zweite Auslassanordnung die (gesamte) erste Auslassanordnung radial (in Umfangsrichtung) umgebend angeordnet. Die Längsachse bildet dabei vorzugsweise eine Mittellängsachse bzw. Symmetrieachse der zweiten und/oder ersten Auslassanordnung. Im Betrieb tritt das zweite Fluid durch das zweite poröse Element in die Brennkammer ein. Eine Auslassanordnung umfasst hierbei definitionsgemäß zumindest einen Fluiddurchlass, der mit der Auslassfläche in den Brennraum mündet (oder ist aus einem solchen Fluiddurchlass gebildet) und weist dabei insbesondere eine oder mehrere Vorrichtungen zur Bildung des Fluiddurchlasses auf, z. B. einen porösen Körper, einen Auslasskanal oder mehrere Auslasskanäle, z. B. Bohrungen, Düse/n oder Ähnliches, durch die das jeweilige Fluid in den Brennraum strömt, bzw. die in den Brennraum mündet/münden.In particular, the (entire) second outlet arrangement is arranged radially (in the circumferential direction) surrounding the (entire) first outlet arrangement. The longitudinal axis preferably forms a central longitudinal axis or axis of symmetry of the second and/or first outlet arrangement. In operation, the second fluid enters the combustor through the second porous member. By definition, an outlet arrangement comprises at least one fluid passage, which opens into the combustion chamber with the outlet surface (or is formed from such a fluid passage) and has in particular one or more devices for forming the fluid passage, e.g. B. a porous body, an outlet channel or several outlet channels, z. B. holes, nozzle / s or the like, through which the respective fluid flows into the combustion chamber, or which opens into the combustion chamber / open.

Einsetzbare Materialien für das (offenporige) poröse Element sind beispielsweise Sintermetalle, z. B. aus Bronze (CuSn12), welche eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, Sintermetalle aus Superlegierungen wie lnconel®718 (mit einer hohen Temperaturfestigkeit) oder poröse keramische Strukturen (z. B. Aluminiumnitrit (AIN), Siliziumnitrit (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃)), mit hohen zulässigen Temperaturen. Die Porosität sollte mehr als 10 % betragen, z. B. zwischen 30 % und 60 %, und wird unter Berücksichtigung eines einzustellenden Druckverlustes zur Dämpfung von Druckschwankungen ausgewählt.Materials that can be used for the (open-pored) porous element are, for example, sintered metals, e.g. B. made of bronze (CuSn12), which have good thermal conductivity, sintered metals made of super alloys such as Inconel®718 (with high temperature resistance) or porous ceramic structures (e.g. aluminum nitrite (AIN), silicon nitrite (Si ₃ N ₄ ) or aluminum oxide (Al ₂ O ₃ )), with high permissible temperatures. The porosity should be more than 10%, e.g. B. between 30% and 60%, and is selected taking into account a pressure loss to be set to dampen pressure fluctuations.

Durch die radiale, insbesondere koaxiale (und/oder symmetrische), Anordnung der zweiten Auslassfläche um die erste Auslassanordnung bzw. die erste/n Auslassfläche/n kann die Reaktion des ersten Fluids mit dem zweiten Fluid radial an der innen liegenden Seite der Strömung des zweiten Fluids stattfinden, wobei zwischen den Strömungen stabilisierende Rezirkulationszonen bzw. Totwassergebiete erzeugbar sind, welche der Durchmischung und damit der Verbrennungseffizienz zuträglich sind. Weiterhin kann das außenströmende (zweite) Fluid vorteilhaft kühlend auf die Wandstrukturen der Brennkammeranordnung wirken.The radial, in particular coaxial (and/or symmetrical) arrangement of the second outlet surface around the first outlet arrangement or the first outlet surface(s) allows the reaction of the first fluid with the second fluid to take place radially on the inner side of the flow of the second Fluids take place, with stabilizing recirculation zones or dead water areas can be generated between the flows, which are beneficial to the mixing and thus the combustion efficiency. Furthermore, the (second) fluid flowing out can advantageously have a cooling effect on the wall structures of the combustion chamber arrangement.

Eine besonders gute Kühlfilm-Wirkung ergibt sich, wenn die zweite Auslassfläche radial angrenzend von einer den Brennraum umgrenzenden Brennkammerwandung umgeben ist. So legt sich im Betrieb das zweite Fluid als Kühlfilm an die Brennkammerwandung, so dass eine insbesondere konvektive Kühlung der Brennkammerwandung mittels eines vergleichsweise dicken, gleichmäßigen Kühlfilms erreichbar ist.A particularly good cooling film effect results when the second outlet surface is radially surrounded by a combustion chamber wall that borders the combustion chamber. During operation, the second fluid is deposited on the combustion chamber wall as a cooling film, so that in particular convective cooling of the combustion chamber wall can be achieved by means of a comparatively thick, uniform cooling film.

Eine vorteilhafte Wirkung sowohl bzgl. Kühlung als auch Einmischung des ersten in das zweite Fluid ergibt sich, wenn eine radiale Dicke d der Auslassfläche zwischen 2/3 und 1/5, vorzugsweise zwischen 1/2 und 1/4, eines Durchmessers D einer stromauf angeordneten Stirnseite des Brennraums beträgt, der vorzugsweise dem Durchmesser des Brennraums zumindest im Wesentlichen entspricht. Die Stirnseite begrenzt den Brennraum auf der Eintrittsseite des zweiten und/oder des ersten Fluids.An advantageous effect both with regard to cooling and mixing of the first fluid into the second fluid results when a radial thickness d of the outlet surface is between 2/3 and 1/5, preferably between 1/2 and 1/4, of a diameter D of an upstream arranged end face of the combustion chamber, which preferably corresponds to the diameter of the combustion chamber at least substantially. The end face delimits the combustion chamber on the entry side of the second and/or the first fluid.

Eine möglichst gleichmäßige Einströmung des zweiten Fluids in das zweite poröse Element und anschließend in den Brennraum ist vorteilhaft erreichbar, wenn die zweite Injektoreinrichtung zumindest einen stromauf an das zweite poröse Element angrenzenden, insbesondere ringförmigen, Verteilerraum aufweist, durch welchen das zweite Fluid in das zweite poröse Element eintreten kann bzw. im Betrieb eintritt.The second fluid can advantageously flow into the second porous element and then into the combustion chamber as uniformly as possible if the second injector device has at least one, in particular annular, distribution chamber adjacent to the second porous element upstream, through which the second fluid flows into the second porous Element can occur or occurs during operation.

Eine zusätzliche Kühlung der Brennkammerwandung ist erreichbar, wenn zumindest ein, vorzugsweise mehrere, zweite/r Zufuhrkanal/Zufuhrkanäle zur Zufuhr des zweiten Fluids in den Verteilerraum vorhanden ist/sind, der/die von einem stromabseitigen Ende des Brennraums, und/oder zumindest teilweise in thermischem Kontakt zu einer an dem stromabseitigen Ende des Brennraums anschließenden Düsenanordnung, innerhalb der Brennkammerwandung geführt ist/sind und in den Verteilerraum mündet/münden.Additional cooling of the combustion chamber wall can be achieved if there is at least one, preferably several, second supply channel(s) for supplying the second fluid into the distributor space, which is/are fed from a downstream end of the combustion chamber and/or at least partially into thermal contact to a nozzle arrangement adjoining the downstream end of the combustion chamber, is/are guided within the combustion chamber wall and opens out into the distribution chamber.

Für eine möglichst gleichmäßige Strömungsverteilung innerhalb des Verteilerraums bzw. des anschließenden zweiten porösen Elements münden vorzugsweise mehrere zweite Zufuhrkanäle in den Verteilerraum, deren Mündungen symmetrisch bezüglich des Verteilerraums verteilt angeordnet sind. Beispielsweise sind die Mündungen dabei um den Umfang verteilt äquidistant zueinander, bei vier Mündungen z. B. in einem Versatz von 90° zueinander (kreuzförmig) angeordnet. Zur Vermeidung von Temperaturunterschieden und damit Spannungen im Material sind möglichst viele, kleine Zufuhrkanäle vorteilhaft.For a flow distribution that is as uniform as possible within the distribution space or the adjoining second porous element, preferably a plurality of second supply channels open into the distribution space, the openings of which are distributed symmetrically with respect to the distribution space. For example, the mouths are distributed equidistant to each other around the circumference, with four mouths z. B. at an offset of 90 ° to each other (cross-shaped). In order to avoid temperature differences and thus stresses in the material, as many small feed channels as possible are advantageous.

Zwecks einfacher Montage ist das zweite poröse Element vorzugsweise formschlüssig innerhalb eines Brennkammermaterials aufgenommen, wobei es am stromabseitigen Ende insbesondere durch eine geeignete geometrische Formgebung, wie einen (z. B. radial ringförmigen) Anschlag (insbesondere auf axialer Höhe der Auslassfläche), axial fixiert ist. Das Brennkammermaterial bildet dabei insbesondere das Vollmaterial, aus dem die Brennkammeranordnung zumindest teilweise, insbesondere zumindest großteils, gefertigt ist und/oder welches auch die Brennkammerwandung bildet. Das Brennkammermaterial bildet insbesondere auch das Vollmaterial der Injektoranordnung, innerhalb derer der Anschlag gebildet ist. In der stromaufweisenden Richtung kann ein Fixierelement, beispielsweise ein Teil der ersten Injektoreinrichtung und/oder eine Hülse, zur Fixierung vorhanden sein. Für eine einfache Montage können so das zweite poröse Element zunächst auf den Anschlag geschoben und anschließend z. B. das Fixierelement eingesetzt werden.For the purpose of simple assembly, the second porous element is preferably accommodated in a form-fitting manner within a combustion chamber material, with it being axially fixed at the downstream end in particular by a suitable geometric shape, such as a (e.g. radially annular) stop (in particular at the axial height of the outlet surface). . The combustion chamber material forms in particular the solid material from which the combustion chamber arrangement is at least partially, in particular at least largely, manufactured and/or which also forms the combustion chamber wall. In particular, the combustion chamber material also forms the solid material of the injector arrangement, within which the stop is formed. A fixing element, for example a part of the first injector device and/or a sleeve, can be present for fixing in the upstream direction. For easy installation, the second porous element can first be pushed onto the stop and then z. B. the fixing element can be used.

Vorzugsweise umfasst die erste Injektoreinrichtung (z. B. genau) einen ersten Zufuhrkanal zur Zufuhr eines ersten Fluids an die erste Auslassanordnung, der zentral auf der Längsachse verläuft und insbesondere radial zumindest bereichsweise von dem Verteilerraum und/oder dem zweiten porösen Element umgeben ist. Der Zufuhrkanal ist insbesondere koaxial zu dem Verteilerraum und/oder dem zweiten porösen Element angeordnet. Mittels des Zufuhrkanals kann das erste Fluid durch das zweite poröse Element an die erste Auslassanordnung und/oder die erste/n Auslassfläche/n strömen.The first injector device preferably comprises (e.g. precisely) a first supply channel for supplying a first fluid to the first outlet arrangement, which runs centrally on the longitudinal axis and is in particular radially at least partially surrounded by the distributor space and/or the second porous element. In particular, the supply channel is arranged coaxially to the distributor space and/or the second porous element. By means of the supply channel, the first fluid can flow through the second porous element to the first outlet arrangement and/or the first outlet surface(s).

Eine besonders präzise und effiziente Einmischung des ersten Fluids mit dem zweiten Fluid ist erreichbar, wenn die erste Injektoreinrichtung einen Vorsprung (gegenüber der zweiten Auslassfläche) in den Brennraum umfasst, an dem die zumindest eine erste Auslassfläche (alle bzw. die gesamte/n Auslassfläche/n) angeordnet ist, wobei die zumindest eine erste Auslassfläche der zweiten Auslassfläche axial zum Brennraum hin vorgelagert (d. h. weiter in den Brennraum hinein positioniert) ist. Die axiale Ausdehnung des Vorsprungs beträgt vorzugsweise weniger als der Durchmesser D der Stirnseite bzw. des Brennraums (beispielsweise weniger als zwei Drittel oder ein Drittel) und ist z. B. für eine möglichst kompakte Brennraumlänge kurz, jedoch ausreichend lang für eine Beabstandung der Reaktionszone von der zweiten Austrittsfläche ausgebildet. Insbesondere richtet sich die axiale Ausdehnung nach der erforderlichen Auslassfläche, die durch Auslegung unter Berücksichtigung des einzustellenden Druckverlustes zur Dämpfung von Druckschwankungen und des erforderlichen Fluid-Massenstroms ermittelt wird. Der Vorsprung ist vorzugsweise auf der Längsachse L und koaxial (insbesondere symmetrisch) zu dem zweiten porösen Element angeordnet.A particularly precise and efficient mixing of the first fluid with the second fluid is achievable if the first injector device comprises a projection (opposite the second outlet surface) into the combustion chamber, on which the at least one first outlet surface (all or all of the outlet surface(s)) is arranged, the at least one first outlet surface being the second outlet surface axially upstream of the combustion chamber (ie positioned further into the combustion chamber). The axial extent of the projection is preferably less than the diameter D of the end face or of the combustion chamber (for example less than two thirds or one third) and is z. B. short for a combustion chamber length as compact as possible, but long enough for a spacing of the reaction zone from the second exit surface. In particular, the axial expansion depends on the required outlet area, which is determined by design, taking into account the pressure loss to be set for damping pressure fluctuations and the required fluid mass flow. The projection is preferably arranged on the longitudinal axis L and coaxially (in particular symmetrically) to the second porous element.

In einer besonders bevorzugten Ausbildungsvariante ist die erste Auslassanordnung derart ausgebildet ist, dass das erste Fluid mit einer radial nach außen gerichteten Richtungskomponente zugebbar bzw. zugegeben ist. Die Zugabe erfolgt z. B. drallfrei, mit einer ausschließlich radialen oder mit einer zusätzlichen axialen Richtungskomponente, oder durch entsprechende Ausbildung der Auslasskanäle drallbehaftet. Durch die radiale Einbringung des ersten Fluids in das (bezüglich der Hauptströmungsrichtung ausschließlich) axial einströmende zweite Fluid kann die Durchmischung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid gegenüber z. B. konventionellen Koaxialinjektoren oder einem porösen Koaxialinjektor verbessert werden. Auf diese Weise kann z. B. die Effizienz eines Raketentriebwerks gesteigert und/oder Bauraum desselben reduziert werden.In a particularly preferred embodiment variant, the first outlet arrangement is designed in such a way that the first fluid can be added or is added with a directional component directed radially outward. The addition is z. B. twist-free, with an exclusively radial or with an additional axial directional component, or twisted by appropriate design of the outlet channels. The radial introduction of the first fluid into the (with respect to the main flow direction exclusively) axially inflowing second fluid, the mixing between the first and the second fluid compared to z. B. conventional coaxial injectors or a porous coaxial injector. In this way z. B. the efficiency of a rocket engine can be increased and/or the installation space can be reduced.

Dabei kann es zweckmäßig sein, dass die erste Auslassanordnung in dem Vorsprung angeordnete und daraus austretende, radial-axial verlaufende Auslasskanäle, insbesondere (gerade verlaufende) Bohrungen, umfasst, mittels welchen das (z. B. gesamte) erste Fluid in einem Winkel α (betreffend die Hauptströmungsrichtung) zwischen 20° und 80°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, bezüglich der axialen Richtung in den Brennraum zugebbar bzw. zugegeben ist. Auf diese Weise erfolgt die Zugabe mit einer sowohl axialen als radialen Richtungskomponente. Die Anzahl der Bohrungen beträgt je nach Brennkammerauslegung z. B. zwischen 3 und 20, beispielsweise zwischen 4 und 10. Eine höhere Anzahl ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids in dem Brennraum. Die Anzahl der Auslasskanäle bzw. Bohrungen hängt insbesondere von der Schubklasse bzw. der Größe des Triebwerks bzw. dem Massenstrom an Fluid ab. Die Auslassflächen sind jeweils am stromabseitigen Ende der Auslasskanäle bzw. Bohrungen angeordnet. Durch axial-radiale Zugabe werden Rezirkulationszonen unmittelbar stromab des Vorsprungs sowie zwischen den ersten Auslassflächen und der zweiten Auslassfläche erzeugt. Die Rezirkulationszonen bewirken eine verbesserte Durchmischung der beiden Treibstoffkomponenten und können somit die Effizienz eines Raketentriebwerks erhöhen. Zudem dienen die Rezirkulationszonen der Flammenstabilisierung. Die Durchmischung wird weiterhin durch den Querimpuls der aus den Bohrungen austretenden Strahlen des ersten Fluids beim Auftreffen auf das zweite Fluid begünstigt, wobei ausgeprägte Turbulenzen hervorgerufen werden.It can be expedient here for the first outlet arrangement to comprise radial-axial outlet channels, in particular (straight) bores, which are arranged in the projection and exit from it, and by means of which the (e.g. entire) first fluid can flow at an angle α ( regarding the main flow direction) between 20° and 80°, preferably between 30° and 60°, can be added or added to the combustion chamber with respect to the axial direction. In this way, the addition takes place with both an axial and a radial directional component. Depending on the combustion chamber design, the number of holes is e.g. B. between 3 and 20, for example between 4 and 10. A higher number allows a more even distribution of the fluid in the combustion chamber. The number of outlet channels or bores depends in particular on the thrust class or the size of the engine or the mass flow of fluid. The outlet surfaces are each arranged at the downstream end of the outlet channels or bores. Axial-radial addition creates recirculation zones immediately downstream of the protrusion and between the first outlet faces and the second outlet face. The recirculation zones improve the mixing of the two fuel components and can thus increase the efficiency of a rocket engine. In addition, the recirculation zones serve to stabilize the flame. The mixing is further promoted by the transverse impulse of the jets of the first fluid emerging from the bores when they impinge on the second fluid, pronounced turbulence being caused.

Für eine möglichst gleichmäßige und kompakte Durchmischung sind vorzugsweise die Auslasskanäle, insbesondere Bohrungen bzw., die Auslassflächen der Auslassanordnung in Umlaufrichtung (und/oder radial) äquidistant und/oder axial auf einer oder mehreren Höhe/n angeordnet.For the most uniform and compact mixing possible, the outlet channels, in particular bores or the outlet surfaces of the outlet arrangement, are preferably arranged equidistantly in the circumferential direction (and/or radially) and/or axially at one or more heights.

In einer einfach zu fertigenden, strömungstechnisch effizienten Variante geht der erste Zufuhrkanal stromab innerhalb eines konischen Endabschnitts, insbesondere innerhalb des Vorsprungs, in die Bohrungen der ersten Auslassanordnung über. Das stromabseitige Ende des konischen Abschnitts ist insbesondere abgestumpft bzw. abgerundet. Die Bohrungen bzw. Auslasskanäle gehen z. B. rechtwinklig von der konischen Wand ab.In a variant that is easy to manufacture and efficient in terms of flow technology, the first supply channel merges downstream within a conical end section, in particular within the projection, into the bores of the first outlet arrangement. In particular, the downstream end of the conical section is truncated or rounded. The holes or outlet channels go z. B. perpendicular to the conical wall.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildungsvariante umfasst der Vorsprung ein erstes poröses Element bzw. ist insbesondere durch dieses gebildet. Dabei weist das erste poröse Element insbesondere eine zylindrische Form auf, wobei ein Teil des ersten porösen Elements über die zweite Auslassfläche zur Bildung des Vorsprungs übersteht. Als Materialen eignen sich insbesondere die in Bezug aus das zweite poröse Element genannten Materialen. Der Einsatz einer weiteren porösen Struktur in Form des ersten porösen Elements bewirkt eine ebenfalls diffuse, großflächige Ausströmung des ersten Fluids, die mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten verbunden mit geringen Druckverlusten einhergehen kann. Die geringen Strömungsgeschwindigkeiten, der diffuse Ausströmvorgang und die geringen Druckverlust erlauben sowohl eine gute Durchmischung des ersten und des zweiten Fluids als auch eine gute Drosselung der Massenströme. Durch geeignete Auswahl der Porositäten (größer als 10%, z. B. zwischen 30% und 60%), der Flächenverhältnisse der Strömungsquerschnitte (der ersten und der zweiten Ausströmflächen) und/oder der axialen Längen der ersten und/oder zweiten porösen Elemente kann/können der Druckverlust, die Strömungsgeschwindigkeit und der Massenstrom durch die jeweilige Injektoreinrichtung definiert werden.In a further preferred embodiment variant, the projection comprises a first porous element or is formed in particular by this. In this case, the first porous element has in particular a cylindrical shape, with a part of the first porous element protruding beyond the second outlet surface to form the projection. The materials mentioned in relation to the second porous element are particularly suitable as materials. The use of a further porous structure in the form of the first porous element also causes the first fluid to flow out diffusely over a large area, which can be associated with low flow velocities combined with low pressure losses. The low flow velocities, the diffuse outflow process and the low pressure loss allow good mixing of the first and second fluids as well as good throttling of the mass flows. By suitably selecting the porosities (greater than 10%, e.g. between 30% and 60%), the area ratios of the flow cross sections (of the first and second outflow surfaces) and/or the axial lengths of the first and/or second porous elements /can the pressure drop, the strö flow rate and the mass flow are defined by the respective injector device.

Bei dieser Variante ist eine effiziente Durchmischung insbesondere dadurch erreichbar, dass das erste poröse Element derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass das erste Fluid mit, insbesondere ausschließlich, radialer Richtungskomponente (bezüglich der Hauptströmungsrichtung) aus dem ersten porösen Element in den Brennraum eintritt. Aufgrund des insbesondere senkrechten Aufeinandertreffens des ersten und zweiten Fluids ergeben sich mehrere Totwassergebiete und/oder Rezirkulationszonen stromab des Vorsprungs und/oder der ersten Auslassfläche, wodurch eine Stabilisierung der Flamme und eine gute Durchmischung erreicht werden.In this variant, efficient mixing can be achieved in particular by designing and/or arranging the first porous element in such a way that the first fluid enters the combustion chamber from the first porous element with, in particular exclusively, a radial directional component (with respect to the main flow direction). Because the first and second fluid meet, in particular perpendicularly, there are several dead water areas and/or recirculation zones downstream of the projection and/or the first outlet surface, as a result of which stabilization of the flame and good mixing are achieved.

Eine diesbezüglich besonders zweckmäßige Ausbildung ergibt sich, wenn das erste poröse Element zumindest im Bereich des Vorsprungs einen (kreis-)ringförmigen Querschnitt aufweist, wobei es insbesondere zylindrisch oder konisch ausgebildet ist, wobei eine axial stromab begrenzende Stirnfläche, z. B. durch geeignete Bearbeitung, wie Versiegelung, fluidundurchlässig ausgebildet ist. Dabei bildet die Umfangswandung des Vorsprungs bzw. des Zylinders die erste Auslassfläche.A particularly expedient design in this regard is obtained when the first porous element has a (circular) annular cross-section at least in the region of the projection, it being in particular cylindrical or conical in shape, with an axially downstream-limiting end face, e.g. B. formed by suitable processing, such as sealing, fluid-impermeable. The peripheral wall of the projection or of the cylinder forms the first outlet surface.

Für eine kontrollierte Strömungsführung und Vermeidung von Flammenrückschlag ist vorzugsweise das zweite poröse Element und/oder das erste poröse Element gegenüber dem umgebenden Material (z. B. dem Brennkammermaterial) durch Einpressen und/oder mittels eines Dichtelements, z. B. einer Teflonschicht oder einer Graphitdichtung, gedichtet.For controlled flow guidance and avoidance of flashback, the second porous element and/or the first porous element is preferably sealed against the surrounding material (e.g. the combustion chamber material) by pressing and/or by means of a sealing element, e.g. B. a Teflon layer or a graphite seal sealed.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Brennkammeranordnung mit zwei Injektoreinrichtungen gemäß einer ersten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Darstellung im Längsschnitt,
2 einen Teil der Brennkammeranordnung gemäß 1 mit den beiden Injektoreinrichtungen im Längsschnitt,
3 einen Querschnitt mit dem Schnittverlauf A-A gemäß 2 in perspektivischer Ansicht,
4 einen Querschnitt mit dem Schnittverlauf B-B gemäß 2 in perspektivischer Ansicht,
5 eine erfindungsgemäße Brennkammeranordnung mit zwei Injektoreinrichtungen gemäß einer zweiten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Darstellung im Längsschnitt und
6 einen Teil der Brennkammeranordnung gemäß 5 mit den beiden Injektoreinrichtungen im Längsschnitt.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:

1 a combustion chamber arrangement according to the invention with two injector devices according to a first embodiment variant in a perspective view in longitudinal section,
2 a portion of the combustor assembly according to FIG 1 with the two injector devices in longitudinal section,
3 according to a cross-section with the section line AA 2 in perspective view,
4 according to a cross-section with the section line BB 2 in perspective view,
5 a combustion chamber arrangement according to the invention with two injector devices according to a second embodiment in a perspective view in longitudinal section and
6 a portion of the combustor assembly according to FIG 5 with the two injector devices in longitudinal section.

1 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Brennkammeranordnung 10 insbesondere zum Einsatz in einem Raketentriebwerk beispielsweise in Orbitalantrieben mit einem chemischen Antrieb, welcher ein Zweikomponenten- bzw. BipropellantSystem nutzt. Weitere Einsatzgebiete betreffen z. B. Trägerraketen und/oder Roll-Control Systeme von Raketen und Stufen. Aufgrund der kompakten Bauweise der Brennkammeranordnung 10 ist diese besonders auch für Triebwerke in Kleinsatelliten, Landeeinheiten und Sonden geeignet. 1 shows a first embodiment of a combustion chamber arrangement 10, in particular for use in a rocket engine, for example in orbital propulsion systems with a chemical propulsion system, which uses a two-component or bipropellant system. Other areas of application relate e.g. B. Launchers and/or roll control systems of rockets and stages. Due to the compact design of the combustion chamber arrangement 10, this is also particularly suitable for engines in small satellites, landing units and probes.

Die Brennkammeranordnung 10 umfasst ein Zufuhrsegment 12 mit zumindest Teilen einer Injektoranordnung 18 zur Zugabe zumindest zweier Fluide 62, 64 zur Reaktion miteinander, insbesondere Oxidator und Brennstoff, in einen Brennraum 20. Die Strömungsführung der Fluide 62, 64 ist in 1 (sowie in 2 und 3) durch Pfeile verdeutlicht. Weiterhin umfasst die Brennkammeranordnung 10 ein Brennkammersegment 14 mit dem symmetrisch entlang einer Mittellängsachse L ausgerichteten Brennraum 20, in dem im Betrieb die chemische Reaktion der Fluide 62, 64 miteinander stattfindet. Zudem umfasst die Brennkammeranordnung 20 ein Düsensegment 16, welches eine Düsenanordnung 22 zur Schuberzeugung mittels des aus dem Brennraum 20 austretenden, bei der chemischen Reaktion entstandenen Gases aufweist. Die Segmente sind insbesondere form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden.The combustion chamber arrangement 10 comprises a feed segment 12 with at least parts of an injector arrangement 18 for adding at least two fluids 62, 64 for reaction with one another, in particular oxidizer and fuel, in a combustion chamber 20. The flow guidance of the fluids 62, 64 is in 1 (as in 2 and 3 ) indicated by arrows. Furthermore, the combustion chamber arrangement 10 comprises a combustion chamber segment 14 with the combustion chamber 20 which is aligned symmetrically along a central longitudinal axis L and in which the chemical reaction of the fluids 62, 64 with one another takes place during operation. In addition, the combustion chamber arrangement 20 comprises a nozzle segment 16, which has a nozzle arrangement 22 for generating thrust by means of the gas emerging from the combustion chamber 20 and produced during the chemical reaction. The segments are in particular connected to one another in a form-fitting and/or cohesive manner.

Die Injektoranordnung 18 ist an einer stromaufgelegenen Stirnseite 19 des Brennraums 20 angeordnet. Zum Einbringen des ersten Fluids 62 in den Brennraum 20 weist die Injektoranordnung 18 eine erste Injektoreinrichtung 24 mit einer ersten Auslassanordnung 34 umfassend zumindest eine erste Auslassfläche 44 auf. Zum Einbringen des zweiten Fluids 64 in den Brennraum 20 weist die Injektoranordnung 18 zudem eine zweite Injektoreinrichtung 26 mit einer zweiten Auslassanordnung 36 umfassend vorzugsweise eine zweite Auslassfläche 46 auf. Die Auslassanordnungen 34, 36 sind insbesondere von einem Fluiddurchlass gebildet, der mit der jeweiligen Auslassfläche 44, 46 in den Brennraum 20 mündet. Der jeweilige Fluiddurchlass umfasst insbesondere eine oder mehrere Vorrichtung/en, z. B. poröse Körper, eine oder mehrere Auslasskanäle, z. B. Bohrungen, Düse/n oder Ähnliches, durch die das jeweilige Fluid in den Brennraum 20 strömt, bzw. die in den Brennraum 20 mündet/münden.The injector arrangement 18 is arranged on an upstream end face 19 of the combustion chamber 20 . In order to introduce the first fluid 62 into the combustion chamber 20, the injector arrangement 18 has a first injector device 24 with a first outlet arrangement 34 comprising at least one first outlet surface 44. In order to introduce the second fluid 64 into the combustion chamber 20 , the injector arrangement 18 also has a second injector device 26 with a second outlet arrangement 36 preferably comprising a second outlet surface 46 . The outlet arrangements 34, 36 are formed in particular by a fluid passage which opens into the combustion chamber 20 with the respective outlet surface 44, 46. The respective fluid passage comprises, in particular, one or more devices, e.g. B. porous bodies, one or more outlet channels, z. B. bores, nozzle / s or the like, through which the respective fluid flows into the combustion chamber 20, or which opens into the combustion chamber 20 / open.

Wie 2 genauer zeigt, umfasst die zweite Auslassanordnung 36 ein zweites poröses Element 42, welches an seinem stromabseitigen Ende unter Bildung der zweiten Auslassfläche 46 an den Brennraum 20 angrenzt. Die zweite Auslassanordnung 36 bzw. das zweite poröse Element 42 ist derart angeordnet, dass sie bzw. es die erste Auslassanordnung 34 ringförmig bzw. zylindrisch radial umgibt. So sind die erste Auslassanordnung 34 und die zweite Auslassanordnung 36 konzentrisch zueinander und insbesondere symmetrisch um die Mittellängsachse L angeordnet.how 2 1, the second outlet assembly 36 includes a second porous member 42, which is adjacent to the combustion chamber 20 at its downstream end to form the second outlet surface 46. The second outlet arrangement 36 or the second porous element 42 is arranged in such a way that it radially surrounds the first outlet arrangement 34 in an annular or cylindrical manner. Thus, the first outlet arrangement 34 and the second outlet arrangement 36 are arranged concentrically to one another and in particular symmetrically about the central longitudinal axis L.

Die radiale Ausdehnung bzw. Dicke d der zweiten Auslassfläche 46 beträgt vorliegend beispielhaft etwa die Hälfte des Durchmessers D einer eingangsseitigen Stirnseite 19 des Brennraums 20, vorliegend entsprechend dem Durchmesser D des Brennraums 20. Die radiale Dicke d ist durch Auslegung zu ermitteln und richtet sich nach Auslegungsparametern wie beispielsweise dem Druckverlust, Strömungsgeschwindigkeit und/oder der erwünschten Schichtdicke an zweitem Fluid 64 innerhalb des Brennraums 20 im Betrieb. Die radiale Dicke des gesamten zweiten porösen Elements 42 entspricht vorzugsweise zumindest der radialen Dicke d der zweiten Auslassfläche 46. Im Falle einer formschlüssigen axialen Fixierung ist die radiale Dicke des zweiten porösen Elements 42 vorzugsweise größer als die radiale Dicke d der zweiten Auslassfläche 46.The radial extent or thickness d of the second outlet surface 46 is, for example, about half the diameter D of an inlet-side end face 19 of the combustion chamber 20, in this case corresponding to the diameter D of the combustion chamber 20. The radial thickness d is to be determined by design and depends on Design parameters such as the pressure loss, flow rate and / or the desired layer thickness of the second fluid 64 within the combustion chamber 20 in operation. The radial thickness of the entire second porous element 42 preferably corresponds at least to the radial thickness d of the second outlet surface 46. In the case of a positive axial fixation, the radial thickness of the second porous element 42 is preferably greater than the radial thickness d of the second outlet surface 46.

Zwischen der zweiten Auslassanordnung 36 bzw. dem zweiten porösen Element 42 und der ersten Auslassanordnung 34 ist eine fluidundurchlässige Trennung, hier in Form einer Wandung 38 der ersten Injektoreinrichtung 24, vorhanden. So sind die Strömungswege des ersten Fluids 62 und des zweiten Fluids 64 innerhalb der Injektoranordnung 18 voneinander getrennt, so dass keine Vormischung stattfindet. Die Strömungswege treffen im Betrieb innerhalb des Brennraums 20 aufeinander.Between the second outlet arrangement 36 or the second porous element 42 and the first outlet arrangement 34 there is a fluid-impermeable separation, here in the form of a wall 38 of the first injector device 24 . The flow paths of the first fluid 62 and the second fluid 64 are thus separated from one another within the injector arrangement 18 so that no premixing takes place. The flow paths meet within the combustion chamber 20 during operation.

Das zweite poröse Element 42 ist mit der zweiten Auslassfläche 46 an seinem Außenumfang radial angrenzend von einer den Brennraum 20 radial umgrenzenden Brennkammerwandung 58 umgeben. Das zweite poröse Element 42 ist von der Wandung 38 und der Brennkammerwandung 58 zumindest im Wesentlichen fluiddicht eingefasst, beispielsweise durch Einpressung in einen zwischen der Wandung 38 und der Brennkammerwandung 58 vorhandenen, komplementären Hohlraum und/oder unter Zwischenordnung eines Dichtelements, beispielsweise einer Teflonschicht.The second porous element 42 is surrounded with the second outlet surface 46 on its outer circumference radially adjacent by a combustion chamber wall 58 radially delimiting the combustion chamber 20 . The second porous element 42 is bordered by the wall 38 and the combustion chamber wall 58 in an at least essentially fluid-tight manner, for example by being pressed into a complementary cavity present between the wall 38 and the combustion chamber wall 58 and/or with the interposition of a sealing element, for example a Teflon layer.

Das zweite poröse Element 42 ist vorliegend beispielhaft mittels einer entsprechend geometrischen Formgebung innerhalb des umgebenden Brennkammermaterials 60 axial fixiert, vorliegend stromab in Form einer außen radial umgebend angeordneten Kante bzw. eines radial abstehenden Ringbundes. Dabei weist das zweite poröse Element 42 eine größere radiale Dicke auf als die zweite Auslassfläche 46. Stromauf bildet die erste Auslassanordnung 34, genauer eine Wandung 38 eines ersten Zufuhrkanals 30, eine radial bezüglich des zweiten porösen Elements 42 innen liegende Kante zur axialen Fixierung stromauf.The second porous element 42 is in the present example fixed axially within the surrounding combustion chamber material 60 by means of a corresponding geometric shape, in the present case downstream in the form of an edge arranged radially on the outside or a radially protruding annular collar. The second porous element 42 has a greater radial thickness than the second outlet surface 46. Upstream, the first outlet arrangement 34, more precisely a wall 38 of a first supply channel 30, forms a radially inner edge with respect to the second porous element 42 for axial fixation upstream.

Wie 3 in einem Querschnitt entlang einer Schnittebene A-A (gemäß 2) durch die Injektoranordnung 18 genauer zeigt, umfasst die zweite Injektoreinrichtung 26 vorliegend beispielhaft einen ringförmigen, an das zweite poröse Element 42 angrenzenden Verteilerraum 28. Durch den Verteilerraum 28 kann das zweite Fluid 64 in das zweite poröse Element 46 eintreten. Zur Zugabe des zweiten Fluids 64 in den Verteilerraum 28 umfasst die Brennkammeranordnung 10 vorliegend beispielhaft vier (davon zwei in 2 ersichtliche) zweite Zufuhrkanäle 32, die im Betrieb jeweils von einer zweiten Zuführleitung 68 mit zweitem Fluid 64 gespeist werden. Zu Kühlzwecken verlaufen die zweiten Zufuhrkanäle 32, im Gegenstrom zu der Strömung innerhalb der Brennkammer 20, ausgehend von einem Bereich der Düsenanordnung 22 an einem stromabseitigen Ende der Brennkammer 20 entlang derselben innerhalb der Brennkammerwandung 58 und münden mit Mündungen 33 in den Verteilerraum 28 (vgl. 3). Der Querschnitt und/oder der Verlauf der zweiten Zufuhrkanäle 32 ist vorzugsweise hinsichtlich des Wärmeübergangs optimiert, wobei die zweiten Zufuhrkanäle 32 z. B. einen runden, rechteckigen oder ovalen Querschnitt aufweisen können. Die Mündungen 33 der zweiten Zufuhrkanäle 68 sind radial und/oder in Umlaufrichtung äquidistant zueinander bezüglich des Verteilerraums 28 angeordnet, vorliegend in einem Winkel von 90° zueinander, um eine möglichst symmetrische Einströmung des zweiten Fluids 64 in den Verteilerraum 28 und symmetrische Verteilung über das zweite poröse Element 42 zu erreichen.how 3 in a cross section along a cutting plane AA (according to 2 ) through the injector arrangement 18 shows in more detail, the second injector device 26 in the present example comprises an annular distributor space 28 adjoining the second porous element 42. The second fluid 64 can enter the second porous element 46 through the distributor space 28. In order to add the second fluid 64 to the distribution chamber 28, the combustion chamber arrangement 10 in the present example comprises four (two of which are in 2 visible) second supply channels 32, which are each fed from a second supply line 68 with second fluid 64 during operation. For cooling purposes, the second feed ducts 32 run in countercurrent to the flow within the combustion chamber 20, starting from a region of the nozzle arrangement 22 at a downstream end of the combustion chamber 20 along the same within the combustion chamber wall 58 and open with orifices 33 into the distributor space 28 (cf. 3 ). The cross section and/or the course of the second supply channels 32 is preferably optimized in terms of heat transfer, the second supply channels 32 z. B. may have a round, rectangular or oval cross-section. The openings 33 of the second supply channels 68 are arranged radially and/or in the direction of rotation equidistant from one another with respect to the distributor space 28, in the present case at an angle of 90° to one another, in order to ensure that the second fluid 64 flows into the distributor space 28 as symmetrically as possible and symmetrically distributes it over the second porous element 42 to achieve.

Die erste Injektoreinrichtung 24 (vgl. insbesondere 2) umfasst den ersten Zufuhrkanal 30 zur Zufuhr des ersten Fluids 62 an die erste Auslassanordnung 34. Der erste Zufuhrkanal 30 wird im Betrieb von einer ersten Zuführleitung 66 mit dem ersten Fluid 62 gespeist, wobei die Zuführleitung 66 mittels eines rohrartigen Übergangsabschnitts 29 der ersten Injektoreinrichtung 24 in den ersten Zufuhrkanal 30 übergeht.The first injector device 24 (cf. in particular 2 ) comprises the first supply channel 30 for supplying the first fluid 62 to the first outlet arrangement 34. During operation, the first supply channel 30 is supplied with the first fluid 62 by a first supply line 66, the supply line 66 being connected to the first injector device 24 by means of a tubular transition section 29 in the first feed channel 30 merges.

Der erste Zufuhrkanal 30 verläuft, von der Wandung 38 rohrartig umgeben, zentral auf der Mittellängsachse L durch den Verteilerraum 28 und (in der ersten Ausbildungsvariante) durch das zweite poröse Element 42 und ist zumindest in diesem axialen Bereich von der Wandung 38 umgrenzt. Am stromauf angeordneten Ende ist die Wandung 38 zur Bildung der umlaufenden Kante bzw. des Ringbundes zur Fixierung des zweiten porösen Elements 42 nach außen verdickt.The first supply channel 30, surrounded by the wall 38 like a tube, runs centrally on the central longitudinal axis L through the distribution space 28 and (in the first embodiment variant) through the second porous element 42 and is bounded by the wall 38 at least in this axial region. At the upstream end is the wall 38 to form the peripheral edge or ring collar thickened to fix the second porous member 42 to the outside.

Die Wandung 38 setzt sich in axialer Richtung auch über die axiale Position der zweiten Auslassfläche 46 fort und bildet auf diese Weise einen der zweiten Austrittsfläche 46 axial vorgelagerten Vorsprung 48. Innerhalb des Vorsprungs 48 weist der erste Zufuhrkanal 30 einen konischen bzw. kegelstumpfartigen Endabschnitt 50 auf. Möglich ist auch eine abgerundete Form. Innerhalb des Endabschnittes 50 geht der erste Zufuhrkanal 30 in die erste Auslassanordnung 34 über.The wall 38 also continues in the axial direction beyond the axial position of the second outlet surface 46 and in this way forms a projection 48 axially upstream of the second outlet surface 46. Inside the projection 48, the first supply channel 30 has a conical or truncated end section 50 . A rounded shape is also possible. Within the end section 50 the first supply channel 30 transitions into the first outlet arrangement 34 .

Die erste Auslassanordnung 34 innerhalb des Vorsprungs 48 weist mehrere, beispielsweise zwischen 3 und 12, Auslasskanäle vorliegend in Form von Bohrungen 76 auf. Wie 4 in einem Querschnitt entlang einer Schnittebene B-B (gemäß 2) genauer zeigt, sind die Bohrungen 76 axial auf einer Höhe (ringartig) und für eine symmetrische Einströmung in den Brennraum 20 in Umlaufrichtung äquidistant zueinander angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung der Bohrungen 76 auf mehreren axialen Höhen, auf mehreren axial hintereinander angeordneten gedachten Ringen. An den jeweiligen stromabgelegenen Enden der Bohrungen 76 weisen diese eine erste Auslassfläche 44 auf, an der die Bohrungen 76 in den Brennraum 20 münden. Die ersten Auslassflächen 44 sind somit der zweiten Auslassfläche 46 axial vorgelagert.The first outlet arrangement 34 within the projection 48 has a plurality, for example between 3 and 12, outlet channels, here in the form of bores 76 . how 4 in a cross-section along a section plane BB (according to 2 ) shows in more detail, the bores 76 are arranged axially at the same height (ring-like) and are arranged equidistantly from one another in the circumferential direction for a symmetrical inflow into the combustion chamber 20 . It is also possible to arrange the bores 76 at a number of axial heights, on a number of imaginary rings arranged axially one behind the other. At the respective downstream ends of the bores 76 , these have a first outlet surface 44 at which the bores 76 open into the combustion chamber 20 . The first outlet surfaces 44 are thus located axially in front of the second outlet surface 46 .

Die Bohrungen 76 sind axial-radial ausgerichtet, so dass das erste Fluid im Betrieb drallfrei in axial-radialer Richtung nach außen in den Brennraum 20 zugegeben wird. The bores 76 are aligned axially-radially, so that during operation the first fluid is admitted outwardly into the combustion chamber 20 in an axially-radial direction without twisting.

Ein Winkel α (2) zwischen der axialen Richtung und der axial-radialen Richtung des ausströmenden Fluid beträgt hier beispielhaft 60°.An angle α ( 2 ) between the axial direction and the axial-radial direction of the outflowing fluid is 60° here, for example.

Das stromabseitige Ende des Endabschnittes 50 bzw. des Vorsprungs 48 ist durch eine orthogonal zur Mittellängsachse L ausgerichtete Stirnfläche 54 gebildet. Durch diese Ausbildung in Kombination mit der Strömungsführung des ersten Fluids kann sich im Betrieb stromab des Vorsprungs 48 eine stabilisierende Rezirkulationszone 74 ausbilden.The downstream end of the end section 50 or of the projection 48 is formed by an end face 54 oriented orthogonally to the central longitudinal axis L. Through this design in combination with the flow guidance of the first fluid, a stabilizing recirculation zone 74 can form downstream of the projection 48 during operation.

Die 5 und 6 zeigen eine zweite Ausbildungsvariante der Brennkammeranordnung 10 in einem Längsschnitt. Die zweite Ausbildungsvariante unterscheidet sich von der in 1 bis 4 gezeigten insbesondere durch die Ausbildung der ersten Injektoreinrichtung 24, die hierbei ein zylindrisches erstes poröses Element 40 aufweist. Die Strömungsführung der Fluide 62, 64 ist in den 5 und 6 wiederum durch Pfeile verdeutlicht.the 5 and 6 show a second embodiment variant of the combustion chamber arrangement 10 in a longitudinal section. The second training variant differs from that in 1 until 4 shown in particular by the formation of the first injector device 24, which has a cylindrical first porous element 40 in this case. The flow guidance of the fluids 62, 64 is in the 5 and 6 again indicated by arrows.

Das erste poröse Element 40 ist symmetrisch um die Mittellängsachse L koaxial zu dem zweiten porösen Element 42 angeordnet und von diesem ringförmig umgeben. Die stromaufseitigen Enden der (offenporigen) porösen Elemente 40, 42 liegen vorliegend beispielhaft auf der gleichen axialen Position. Zwischen dem ersten porösen Element 40 und dem zweiten porösen Element 42 ist zur fluidundurchlässigen Trennung der Stömungswege durch die erste Injektoreinrichtung 24 und die zweite Injektoreinrichtung 26 die Wandung 38 angeordnet, die zumindest im Bereich der porösen Elemente 40, 42 eine geringere Wandstärke aufweist als in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4.The first porous element 40 is arranged symmetrically about the central longitudinal axis L, coaxially with the second porous element 42 and is surrounded by it in the form of a ring. The upstream ends of the (open-pored) porous elements 40, 42 are present, for example, in the same axial position. The wall 38 is arranged between the first porous element 40 and the second porous element 42 to separate the flow paths through the first injector device 24 and the second injector device 26 in a fluid-tight manner Embodiment according to 1 until 4 .

Zur axialen Fixierung des ersten porösen Elements 40 in die stromauf weisende Richtung weist die Wandung 38 eine geeignete geometrische Formgebung auf, vorliegend eine umlaufende Kante. Das erste poröse Element 40 weist einen komplementären Querschnittssprung auf, wobei die Kante der Wandung 38 einen Anschlag für den Querschnittssprung bildet. Das erste poröse Element 40 ist, wie auch das zweite poröse Element 42, gegenüber der Wandung 38 z. B. durch Einpressen oder mittels eines Dichtelements (z. B. Teflon) fluiddicht gedichtet.For the axial fixation of the first porous element 40 in the upstream direction, the wall 38 has a suitable geometric shape, in this case a peripheral edge. The first porous element 40 has a complementary cross-sectional discontinuity, with the edge of the wall 38 forming a stop for the cross-sectional discontinuity. The first porous element 40, like the second porous element 42, is opposite the wall 38, e.g. B. by pressing or by means of a sealing element (z. B. Teflon) sealed fluid-tight.

Das erste poröse Element 40 ist vorliegend der ersten Auslassanordnung 34 zuzuordnen bzw. bildet diese. Insbesondere ist der Vorsprung 48 von einem stromab angeordneten Endabschnitt des ersten porösen Elements 40 gebildet. Der Vorsprung 38 weist eine entsprechende zylindrische Form auf. Die axial stromab begrenzende Stirnfläche 54 des ersten porösen Elements 40 ist durch geeignete Bearbeitung, beispielsweise Versiegelung, fluidundurchlässig ausgebildet. Eine zylindrische Umfangswand 52 des Vorsprungs 48 ist offenporig ausgebildet. Somit kann das erste Fluid 62 im Betrieb mit einer (näherungsweise) ausschließlich radialen (Hauptströmungs-) Richtungskomponente aus dem ersten porösen Element 40 in den Brennraum 20 eintreten, wobei die Umfangswand 52 die erste Auslassfläche 44 bildet.In the present case, the first porous element 40 is associated with the first outlet arrangement 34 or forms it. Specifically, the protrusion 48 is formed from a downstream end portion of the first porous member 40 . The projection 38 has a corresponding cylindrical shape. The axially downstream limiting end face 54 of the first porous element 40 is made impermeable to fluids by suitable processing, for example sealing. A cylindrical peripheral wall 52 of the projection 48 is open-pored. Thus, during operation, the first fluid 62 can enter the combustion chamber 20 from the first porous element 40 with an (approximately) exclusively radial (main flow) directional component, with the peripheral wall 52 forming the first outlet surface 44 .

Stromauf des ersten porösen Elements 40 ist zu dessen axialer Fixierung ein durchströmbares Fixierelement 56, vorliegend eine Hülse 78, zwischen dem Übergangsabschnitt 29 und dem ersten porösen Element 40 angeordnet. Die Hülse 78 ist von der Wandung 38 radial fixiert. Innerhalb der Hülse 78 ist der erste Zufuhrkanal 30 geführt.Upstream of the first porous element 40, a flow-through fixing element 56, in this case a sleeve 78, is arranged between the transition section 29 and the first porous element 40 to fix it axially. The sleeve 78 is fixed radially by the wall 38 . The first supply channel 30 is guided within the sleeve 78 .

Die axiale Ausdehnung der porösen Elemente 40, 42 richtet sich nach der Brennkammerauslegung. Insbesondere kann durch die Parameter „Porosität“, „axiale Ausdehnung“ und „Flächenverhältnisse der Strömungsquerschnitte“ (von z. B. „zweite Auslassfläche 46 zu erster Auslassfläche 44 (bzw. Summe der ersten Auslassflächen 44)“ zwischen 10/1 und 5/1, z. B. 7/1, auch in Abhängigkeit des Massenverhältnisses an Fluid 2 zu Fluid 1) durch die porösen Elemente 40, 42 der erforderliche Druckverlust, die Strömungsgeschwindigkeit (z. B. zwischen 1 m/s und 20 m/s) und der Massenstrom an Brennstoff und/oder Oxidator durch die jeweiligen porösen Elemente 40, 42 ausgelegt werden. Das Flächenverhältnis kann so eingestellt werden, dass das Flächenverhältnis der Auslassflächen z. B. dem Mischungsverhältnis mit optimaler Leistung entspricht. Die Strömungsgeschwindigkeiten können vorzugsweise so ausgelegt sein, dass das im Betrieb in den Brennraum 20 einströmende erste Fluid 62 in die radial umgebende Strömung des zweiten Fluids 64 eindringt, um eine adäquate Mischung zu erzeugen.The axial extent of the porous elements 40, 42 depends on the combustion chamber design. In particular, the parameters "porosity", "axial expansion" and "area ratios of the flow cross-sections" (e.g. "second outlet surface 46 to first outlet surface 44 (or sum of the first outlet areas 44)” between 10/1 and 5/1, e.g. B. 7/1, also depending on the mass ratio of fluid 2 to fluid 1) through the porous elements 40, 42 the required pressure loss, the flow rate (z. B. between 1 m / s and 20 m / s) and the mass flow of fuel and/or oxidizer through the respective porous members 40,42. The area ratio can be set so that the area ratio of the outlet areas z. B. corresponds to the mixing ratio with optimal performance. The flow velocities can preferably be designed such that the first fluid 62 flowing into the combustion chamber 20 during operation penetrates into the radially surrounding flow of the second fluid 64 in order to produce an adequate mixture.

In beiden Ausbildungsvarianten strömt im Betrieb das zweite Fluid 64 über die (z. B. im Vergleich zu Düsen oder Bohrungen) vergleichsweise große zweite Auslassfläche 46 wandnah in einer diffusen Ringsströmung in den Brennraum 20 ein. Durch die diffuse und flächige Ausströmung wird ein vergleichsweise langsam strömender, dichter Kühlfilm an der Innenseite der Brennkammerwandung 58 erzeugt. Dieser Kühlfilm verhindert eine Überhitzung der Brennkammerwandung 58, insbesondere durch Reduktion des Wärmestroms in die Brennkammerwandung 58. Im Vergleich zu einem z. B. durch Injektorbohrungen erzeugten Kühlfilm wird ein gleichmäßig dickerer Kühlfilm einhergehend mit einer gleichmäßigen Verteilung der Wärmelasten an der Brennkammerwandung 58 erreicht.In both embodiment variants, the second fluid 64 flows during operation via the second outlet surface 46, which is comparatively large (eg compared to nozzles or bores), close to the wall in a diffuse annular flow into the combustion chamber 20. Due to the diffuse and planar outflow, a comparatively slow-flowing, dense cooling film is generated on the inside of the combustion chamber wall 58 . This cooling film prevents overheating of the combustion chamber wall 58, in particular by reducing the flow of heat into the combustion chamber wall 58. Compared to a z. B. generated by injector bores, a uniformly thicker cooling film is achieved along with a uniform distribution of the thermal loads on the combustion chamber wall 58.

Im Betrieb der Brennkammeranordnung 10 gemäß der ersten Ausführungsvariante ruft der Impuls des austretenden ersten Fluids 62, das mit höherer Geschwindigkeit als das zweite Fluid in den Brennraum 20 eintritt, beim Auftreffen auf den durch das zweite Fluid 64 gebildeten Film eine vergleichsweise starke Turbulenz hervor. Diese Turbulenz begünstigt die Vermischung und erlaubt eine hohe Verbrennungseffizienz. Vorzugsweise ist der Impuls (bzw. die Geschwindigkeit und/oder Strömungsrichtung) des ersten Fluids 62 unter Auslegung der Bohrungen 78 so ausgelegt, dass das erste Fluid 62 nicht vollständig zu der Brennkammerwandung 58 durchdringt, sondern eine gewisse Filmdicke zu Kühlzwecken erhalten bleibt. Durch die stromab des Vorsprungs 48 gebildete Rezirkulationszone 74 kann über einen weiten Betriebsbereich eine stabile Verbrennung bei hoher Verbrennungseffizienz erreicht werden.During operation of the combustion chamber arrangement 10 according to the first embodiment variant, the impulse of the exiting first fluid 62, which enters the combustion chamber 20 at a higher speed than the second fluid, causes comparatively strong turbulence when it hits the film formed by the second fluid 64. This turbulence favors mixing and allows high combustion efficiency. The impulse (or the speed and/or flow direction) of the first fluid 62 is preferably designed with the design of the bores 78 such that the first fluid 62 does not penetrate completely to the combustion chamber wall 58, but rather a certain film thickness is retained for cooling purposes. Due to the recirculation zone 74 formed downstream of the projection 48, stable combustion with high combustion efficiency can be achieved over a wide operating range.

Im Betrieb der Brennkammeranordnung 10 gemäß der zweiten Ausbildungsvariante strömt das erste Fluid 62 zumindest näherungsweise ausschließlich radial (bzgl. der Hauptströmungsrichtung) aus dem Vorsprung 48 aus. Aufgrund des senkrechten Aufeinandertreffens der Strömungen des ersten Fluids 62 und des zweiten Fluids 64 ergeben sich mehrere Wirbel bzw. Totwasser- und Rezirkulationszonen 74 stromab der Injektoranordnung 18, die die Reaktionszone (Flamme bzw. die Verbrennungszone) stabilisieren. Die Auslegung erfolgt vorzugsweise wiederum derart, dass eine gewisse Filmdicke zu Kühlzwecken erhalten bleibt. Auf diese Weise kann ebenfalls über einen weiten Betriebsbereich eine hohe Verbrennungseffizienz erreicht werden. Die vergleichsweise großen Auslassflächen 44, 46 bewirken geringere Strömungsgeschwindigkeiten und damit geringere Druckverluste. Zudem erlauben sie eine gute Durchmischung der beiden Fluide 62, 64 und eine gute Drosselung des Massenstroms.During operation of the combustion chamber arrangement 10 according to the second embodiment variant, the first fluid 62 flows out of the projection 48 at least approximately exclusively radially (with respect to the main flow direction). Due to the perpendicular meeting of the flows of the first fluid 62 and the second fluid 64, several vortices or dead water and recirculation zones 74 result downstream of the injector arrangement 18, which stabilize the reaction zone (flame or the combustion zone). Again, the design is preferably such that a certain film thickness is retained for cooling purposes. In this way, high combustion efficiency can also be achieved over a wide operating range. The comparatively large outlet surfaces 44, 46 result in lower flow speeds and thus lower pressure losses. In addition, they allow good mixing of the two fluids 62, 64 and good throttling of the mass flow.

Zusammenfassend kann durch die erfindungsgemäße Brennkammeranordnung 10 unter Erzeugung einer vorteilhaften Kühlfilmwirkung eine optimierte Durchmischung erreicht werden, die eine hohe Verbrennungseffizienz bei kompakter Baumweise bewirkt.In summary, an optimized mixing can be achieved by the combustion chamber arrangement 10 according to the invention while generating an advantageous cooling film effect, which brings about a high combustion efficiency with a compact tree configuration.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2009/080595 A2 [0004]
DE 102010043337 A1 [0005]
WO 9708442 A1 [0006]
EP 3246557 A1 [0007]
WO 2005/049998 A1 [0008]
GB1289934A [0008]

Claims

Combustion chamber arrangement (10) with a combustion chamber (20) aligned along a longitudinal axis (L) and with an injector arrangement (18) arranged on the front side of the combustion chamber (20) for introducing reactive fluids (62, 64) into the combustion chamber (20), comprising a first Injector device (24) with a first outlet arrangement (34) with at least one first outlet surface (44) for introducing the first fluid (62) and a second injector device (26) with a second outlet arrangement (36) with at least one second outlet surface (46) for Introduction of the second fluid (64), characterized in that the at least one, in particular annular, second outlet surface (46) is arranged radially surrounding the at least one first outlet surface (44) with the interposition of a fluid-impermeable separation and a front side attached to the combustion chamber (20 ) adjacent second porous member (42) to form the second outlet surface (46) to the combustion chamber (20).

Combustion chamber arrangement (10) after claim 1 , characterized in that the second outlet surface (46) is radially adjacent to the combustion chamber (20) surrounding the boundary surrounding the combustion chamber wall (58).

Combustion chamber arrangement (10) after claim 1 or 2 , characterized in that a radial thickness (d) of the outlet surface (46) is between 2/3 and 1/5, preferably between 1/2 and 1/4, of a diameter (D) of an upstream end face (19). preferably corresponds at least substantially to the diameter of the combustion chamber (20).

Combustion chamber arrangement (10) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the second injector device (26) has at least one, in particular annular, distributor space (28) adjoining the second porous element (42) upstream, through which the second fluid (64) can enter the porous element (62). .

Combustion chamber arrangement (10) after claim 4 , characterized in that there is at least one second supply channel (32) for supplying the second fluid (64) into the distributor space (28), which runs from a downstream end of the combustion chamber (20), and/or is at least partially in thermal contact with a at the downstream end of the combustion chamber (20) adjoining nozzle arrangement (22), is guided within the combustion chamber wall (58) and opens into the distribution chamber (28).

Combustion chamber arrangement (10) after claim 5 , characterized in that several second supply channels (32) open into the distribution space (28), the mouths (33) are arranged distributed symmetrically with respect to the distribution space (28).

Combustion chamber arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the second porous element (42) is accommodated in a form-fitting manner within a combustion chamber material (60), it being axially fixed at the downstream end, in particular by a suitable geometric shape, such as a stop .

Combustion chamber arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first injector device (24) comprises a first supply channel (30) for supplying a first fluid (62) to the first outlet arrangement (34) which is centrally located on the longitudinal axis (L ) runs and is surrounded in particular radially at least in regions by the distributor space (28) and/or the second porous element.

Combustion chamber arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first injector device (24) comprises a projection (48) into the combustion chamber (20), on which the at least one first outlet surface (44) is arranged, the at least one first outlet surface (44) of the second outlet surface (46) is located axially in front of the combustion chamber (20).

Combustion chamber arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first outlet arrangement (34) is designed in such a way that the first fluid (62) can be added or is added with a directional component directed radially outwards.

Combustion chamber arrangement (10) after claim 10 , characterized in that the first outlet arrangement (34) arranged in the projection (48) and exiting therefrom, radial-axially running outlet channels, in particular bores (76), by means of which the first fluid (62) at an angle (a) between 20° and 80°, preferably between 30° and 60°, with respect to the axial direction into the combustion chamber (20) can be or is added.

Combustion chamber arrangement (10) after claim 11 , characterized in that the outlet channels (76) are arranged equidistantly in the circumferential direction and axially at one or more levels.

Combustion chamber arrangement (10) after claim 11 or 12 , characterized , that the first supply channel (30) merges downstream within a conical end section (50), in particular within the projection (48), into the outlet channels (76) of the first outlet arrangement (34).

Combustion chamber arrangement (10) after claim 10 , characterized in that the projection (48) comprises a first porous element (40), in particular formed by this.

Combustion chamber arrangement (10) after Claim 14 , characterized in that the first porous element (40) is designed and/or arranged such that the first fluid (62) enters the combustion chamber (20) with, in particular exclusively, a radial directional component from the first porous element (40).

Combustion chamber arrangement (10) after claim 15 , characterized in that the first porous element (40) at least in the region of the projection (48) has an annular cross-section, in particular is cylindrical, with an axially downstream limiting end face (54) being fluid-impermeable.

Combustion chamber arrangement (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the second porous element (42) and / or the first porous element (40) against the surrounding material by pressing and / or by means of a sealing element, z. B. a Teflon layer is sealed.